Технические науки / 2.Механика

Д. т. н. А.И. Айнабеков, д. т. н. У.С Сулейменов, д. т. н. Ш.Т. Ешимбетов,

Х.А. Абшенов

Южно-Казахстанский государственный университет имени М. Ауезова, Казахстан

Взаимодействие поля сварочных остаточных напряжений полем напряженности области перед вершиной трещины

Проблема обеспечения безопасности и повышения долговечности наиболее существенна для резервуарных конструкций, работающих в условиях воздействия переменных нагрузок. Данная проблема ставит множество задач, решение которых должно быть осуществлено разработкой и использованием рекомендации технологического и конструктивного характера, а также совершенствованием методов расчета.

Одним из подобных факторов, который в основном связан с применением сварки, является сварочные остаточные напряжения. Известно, что высокий уровень растягивающих остаточных напряжений в области сварного соединения неблагоприятно сказывается на циклической прочности резервуарной конструкций. Вместе с тем тенденция применения в резервуарах сталей с повышенной прочностью способствует сохранению достаточно высоких остаточных напряжений.

В связи с этим в работе рассматривается взаимодействие поля сварных остаточных напряжений с напряжениями в зоне перед вершиной трещины.

Особенность проблемы заключается в том, что распространение трещин усталости необходимо рассматривать не только в связи с конкретными свойствами материалов сварного соединения, но и с особенностями напряженно-деформированного состояния материала у вершины трещины, зависящего от остаточной напряженности и видоизменяющегося по мере продвижения трещины.

Запишем зависимость распространения трещины усталости в сварном соединении в следующем виде [1]:

(1)

где C и m – константы для данного материала; ΔK – размах коэффициента интенсивности напряжений в цикле напряжения.

В настоящей работе параметры С и m приняты для основного металла, а влияние механической неоднородности сварного шва, остаточные напряжения, перераспределение при возникновении и подрастании трещины, взаимодействие этих напряжений с продуктом активного нагружения учитывается коэффициентом интенсивности ΔK.

Для расчета остаточных напряжений и напряженно-деформированного состояния элемента конструкции в области перед вершиной трещины с учетом активного нагружения, его взаимодействия с полем остаточных сварочных напряжений и изменяющегося по мере распространения трещины неоднородности сварного соединения использовался метод конечных элементов реализованного в программном модуле «AKSHAN» [2].

Использована физическая модель основанная на теории неизотермического пластического течения и гипотезе кратковременной ползучести [3]. Нестационарное температурное поле, возникающее при сварке, моделировалось схемой мощного быстродвижущегося линейного источника тепла с теплоотдачей.

В программе расчета применены плоские конечные четырехугольные элементы с линейным распределением перемещений по полю и учитывались пластическое деформирование материала, зависимость механических и теплофизических свойств материала от температуры.

Коэффициент интенсивности напряжений ΔK определялось при пошаговом подрастании трещины экстраполяцией к вершине трещины в состоянии стабилизированного циклического упругопластического деформирования:

, (2)

где σ(r) – размах результирующих напряжений в площадках, совпадающих с ожидаемой траекторией трещины; r – расстояние от вершины трещины до середины конечного элемента.

При этом поправка к ΔK, учитывающая влияние пластической зоны у кончика трещины не учитывалось.

Предложен следующий порядок расчетного прогноза распространения трещины усталости в сварных соединениях:

- определение параметров уравнения (1) С и m путем стандартных испытаний основного металла;

- вычисление остаточных сварочных напряжений и перераспределений остаточных напряжений, с учетом напряжений от внешней нагрузки, при подрастании трещины с использованием метода конечных элементов;

- определение коэффициентов интенсивности напряжений для максимальной и минимальной нагрузок для цикла внешнего воздействия (при принимается );

- интегрированием уравнения (1) рассчитывается подрастание трещины усталости и строится кинетическая кривая роста трещины l = f(N).

Эксперименты проведены на образцах из стали Вм Ст. 3 со стыковым швом, выполненном сварочной проволокой СВ – 08А. Для инициирования трещины в образцах делалась прорезь шевронной формы, в соответствии с рисунком 1.

Рисунок 1 - Конструкция образца для испытаний

Испытания осуществлены на пульсаторе ZDM – ЮРИ при нагрузке F = (20 15) кH с частотой 13 Гц. Развитие трещины наблюдалось в измерительный микроскоп МГБ – 2 с ценой деления 0,05мм.

На начальном этапе исследовании испытаны образцы без сварного шва и определены параметры С и m уравнения (1).

Распределение остаточных напряжений для неповрежденного образца представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Распределение остаточных напряжений

по ширине образца без прорези

Расчетные данные роста трещин в виде перераспределении остаточных напряжений для различных длин инициированной трещины приведены на рисунке 3.

образец без трещины; образцы с прорезью различной длины и трещинами; 1 – с прорезью l = 20мм; 2 - с прорезью и трещиной с суммарной протяженностью l = 26мм; 3 – то же с l = 35мм; 4 – то же с l = 40мм.

Рисунок 3 - Распределение остаточных напряжений в образцах с прорезью и с трещиной разной длины.

Результаты сопоставления расчетной и экспериментальной кинетических кривых трещин усталости приведены на рисунке 4. Экспериментальные кривые представлены по испытаниям трех образцов. Характер экспериментальной и расчетной кривых показывает их удовлетворительное совпадение, что дает основание считать о вполне достоверном описании процесса формирования остаточных напряжений, их перераспределения и оценку усталостного разрушения.

расчетные; Экспериментальные; 1,2,3 – номера образцов.

Рисунок 4 - Кривые кинетики трещины

Приведенные результаты исследования позволяют сделать вывод о возможности практического применения рассмотренной методики при расчете и анализе усталостных разрушений сварных элементов конструкции.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Paris P.C., Erdogan F.A. Cretical Analysis of Crack Fropagation Iaws. – Journal of Basic Engineering, Trans. ASME, Vol. 85, № 4, рр. 528-534.

2. Айнабеков А.И., Осжигитов К.С., Ешимбетов Ш.Т. Исследование теоретических коэффициентов концентраций напряжений в стыковых сварных соединениях.

3. Махненко В.И. Расчетные методы исследования кинетики сварочных напряжений и деформаций. – Киев: Наукова думка, 1976г.

Южно-Казахстанский государственный университет

им. М. Ауезова, г.Шымкент.